Um Satelliten mit einer Rakete ins Weltall zu befördern, braucht man einen voluminösen „Verbrennungsmotor“. Bei den größeren Exemplaren wiegen allein die dazugehörigen Tanks samt chemischem Treibstoff mehr als 1.000 Kilogramm. Für die Bewegung der künstlichen Trabanten, die sich schon im Orbit befinden, gibt es deutlich filigranere Ionenantriebe. Sie werden mit elektrischem Strom statt chemischen Reaktionen angetrieben und nutzen für den Rückstoß meist Xenon oder Krypton. Messer bietet diese Gase mit hohem Reinheitsgrad und maßgeschneiderter Spezifizierung für diesen Einsatz an.

Satelliten unterliegen im Weltraum der Nord-Süd-Drift, die von der Gravitation von Sonne und Mond verursacht wird. Dadurch verändert sich nach und nach ihre Umlaufbahn. Um die Abweichung auszugleichen und den gewünschten Orbit zu halten, müssen sie pro Jahr eine Geschwindigkeitsänderung von etwa 45 bis 50 Meter pro Sekunde zustande bringen. In der Schwerelosigkeit des Alls sind für eine solche Korrektur keine großen Kräfte nötig. Es genügt von Zeit zu Zeit ein kleiner, genau bemessener Impuls, um die Position zu justieren.

Leichter E-Motor vs. schwerer Verbrenner

Im Gegensatz zum schwergewichtigen Brenner der Rakete sind Ionenantriebe – im Speziellen sogenannte Hall-Effect-Thruster– klein und leicht: Der Thruster für einen Satelliten von bis zu einer Tonne Gewicht wiegt gerade mal 1,5 Kilogramm, der Gastank fasst selbst bei großen Kommunikationssatelliten nur wenige hundert Kilogramm an Treibstoff. Der Antrieb wird für das Korrekturmanöver jeweils nur für wenige Minuten gezündet und bezieht seine Energie in der Regel aus dem Solarkollektor, welcher die Raumsonde auch sonst mit Strom versorgt.

Im Ionenantrieb wird eine kleine Menge einer gasförmigen Stützmasse zunächst ionisiert. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes werden die Ionen dann auf Geschwindigkeiten von bis zu 400.000 Stundenkilometer beschleunigt und durch den Auslass ins All gelenkt. Der so ausgelöste Rückstoß sorgt für die gewünschte Positionsänderung, nach dem gezielten Impuls wird das Triebwerk wieder abgeschaltet. Neben Satelliten nutzen auch Raumsonden für die Weltraumforschung diese Antriebsart, um in die Tiefen des Alls vorzudringen. In beiden Fällen muss der überschaubare Gasvorrat für viele Betriebsjahre reichen.

Ideale Stützmasse

Das Edelgas Xenon eignet sich besonders gut als Stützmasse für den Ionenantrieb; es wird in den meisten heutigen Satelliten und Raumsonden verwendet. Krypton kam bisher deutlich seltener zum Einsatz, doch das könnte sich künftig ändern. Im Gegensatz zu einigen Metallen, mit denen man anfangs experimentierte, müssen die Gase nicht erst verdampft werden; zudem sind sie umweltneutral und leicht zu handhaben. Der Ionenantrieb erreicht einen beachtlich hohen Effizienzgrad: Mit Xenon im Tank ist der gewichtsspezifische Impuls im Vergleich zum thermischen Raketentriebwerk um mehr als sechsmal höher.

Die einzige nutzbare Quelle für beide Edelgase ist die Erdatmosphäre. Sie sind in der Atemluft nur als Spurenelemente enthalten, doch Krypton kommt mit rund 1 ppm mehr als zehnmal häufiger vor als Xenon mit 0,09 ppm. Damit ist es leichter und kostengünstiger zu gewinnen. Xenon ermöglicht aufgrund seines höheren Atomgewichts zwar mehr Schub bei gleichem Tankvolumen, doch dieser Unterschied wird durch die zunehmende Effizienz der neusten Triebwerkstypen immer unwichtiger. So werden etwa die Starlink-Satelliten von SpaceX mit Krypton betrieben.

Gasqualität sichert Effizienz

Die Effizienz eines Ionenantriebs hängt unter anderem vom Filament ab, einem Glühfaden zur Erzeugung von Elektronen. Er reagiert empfindlich auf verschiedene Moleküle; insbesondere Sauerstoff und Sauerstoffverbindungen können unerwünschte Reaktionen an seiner Oberfläche auslösen. Daher muss das Gas der Stützmasse hohe Qualitätsanforderungen erfüllen, die von den Herstellern der Antriebe sehr genau – aber durchaus nicht bei allen gleich – spezifiziert sind. Neben dem Reinheitsgrad spielt die Zusammensetzung der verbleibenden Verunreinigungen eine wichtige Rolle. Wie stark die Leistung eines Ionentriebwerks beeinträchtigt wird, hängt entscheidend von Art und Menge der Restmoleküle ab.

Messer bietet zwei Gase mit einem reduzierten Anteil an Verunreinigungen an, Xenon 5.0 und Krypton 5.0 für Ionenantriebe. Sie wurden speziell für diese Anwendung entwickelt und ermöglichen eine dauerhaft hohe Effizienz des Thrusters. Die Gewinnung und der Qualitätsprozess sind minutiös auf die besonderen Anforderungen des Einsatzes in einem Ionenantrieb abgestimmt. Sie gehen über die Standardspezifikation des Reinheitsgrades 5.0 – ein Anteil des jeweiligen Gases von 99,999 Volumenprozent – hinaus.

Qualitätsprozess für Gas und Flasche

Angesichts ihrer minimalen Konzentration in der Atmosphäre ist die Gewinnung der beiden Edelgase nur in sehr großen Luftzerlegungsanlagen (LZA) wirtschaftlich möglich. Man findet sie etwa bei Stahlwerken, wo sie kontinuierlich die großen Mengen Sauerstoff und Stickstoff liefern, die dort gebraucht werden. Messer betreibt eine Reihe solcher Anlagen in Asien, Europa und Amerika. Damit ist die kontinuierliche Versorgung in allen Weltregionen sichergestellt.

Schon in der LZA werden nach der Abtrennung der Edelgase mit nachgeschalteten Reinigungsverfahren die ersten Schritte des Qualitätsprozesses durchgeführt. Dabei werden die geringen verbleibenden Anteile anderer Inhaltsstoffe – unter anderem Sauerstoff, Wasserstoff, Methan, CO und CO₂ sowie Feuchtigkeit – weiter reduziert. Zugleich durchlaufen die Behälter für die Triebwerk-Gase ein mehrstufiges Verfahren, um die erreichte Reinheit bis zur Auslieferung zu gewährleisten.

Die Flaschen bestehen aus besonders hochwertigem Edelstahl mit extrem glatten, elektropolierten Oberflächen. Damit werden mögliche Anhaftungen etwa von Wassermolekülen aus der Luftfeuchtigkeit von vornherein vermieden. Zudem werden die Flaschen vor der Befüllung mit hochreinem Stickstoff gespült. Während der Spülung werden mittels Laser-Lichtabsorption Menge und Größe eventuell vorhandener Feststoffpartikel bestimmt. Die Flaschen werden nur bei geprüfter Einhaltung der streng definierten Grenzwerte verwendet. Zur Qualitätskontrolle gehört außerdem eine Ventilprüfung, um sicherzustellen, dass die Armatur fett- und ölfrei ist. Das Flaschenzertifikat enthält die Maße der Flasche sowie Bilder von ihrem Zustand vor der Auslieferung. Alle relevanten Komponenten sind in der detaillierten Dokumentation erfasst.

Umfassende Dokumentation und individuelle Lösungen

Die Abfüllung nach der Entfernung des Spülgases folgt einer dokumentierten Standard Operating Procedure. Nach der Abfüllung wird die Qualität des Gases nochmal kontrolliert – also in dem Zustand, in dem es den Anwender erreicht. Dafür wird bei Messer ein Gaschromatograph mit Wärmeleitfähigkeitsdetektoren eingesetzt, der speziell für die Analyse von Edelgasen kalibriert ist. Die ermittelten Werte werden ebenfalls im Qualitätszertifikat dokumentiert.

Die Hersteller und Anwender der Ionenantriebe haben individuelle Spezifikationen für ihre unterschiedlichen Hall-Effect-Thruster definiert. Das Angebot von Messer umfasst daher neben den Standardprodukten auch maßgeschneiderte Lösungen mit einer passenden Dokumentation nach den jeweiligen Vorgaben. Die Vertriebsorganisation setzt dabei grundsätzlich auf persönlichen Kontakt und individuelle Beratung, um die gelieferten Gase exakt auf die Anforderungen des Kunden abzustimmen.